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如何避免晶片热应力问题？

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：在生长后的冷却期间，由于衬底和GaN的CTE存在差别，将形成很大的应力。对于Al2O3，它的CTE要高一些，热应力是压缩性的，在室温下使晶片形成凸起翘曲。图2-15 晶片曲率是GaN薄膜厚度的线性函数根据曲线的斜率，可以计算出热应力。应力为临界值时，衬底中会出现裂缝并在GaN层中传播。已经在厚度大于20μm的GaN层中观察到这种现象[HIR 93]。

在生长后的冷却期间，由于衬底和GaN的CTE存在差别（见表2-1），将形成很大的应力。

6H-SiC的CTE比GaN的低，此时生长中的层要承受张力，造成凹陷变形。这种应力是一个严重的问题，因为它会在冷却期间造成裂缝的出现。

对于Al₂O₃，它的CTE要高一些，热应力是压缩性的，在室温下使晶片形成凸起翘曲。

图2-14所示的为4μm的GaN层在厚度为450μm、直径为2in（约50.8mm）

图2-14 4μm的GaN层在厚度为450μm、直径为2in的Al₂O₃衬底外延生长并冷却至室温后的凸起高度（采用表面光洁度测量仪测量）

的Al₂O₃衬底生长时的凸起高度。

根据上述凸起测量结果，可计算出曲率半径R。当外延膜的厚度h_f小于衬底厚度时，可使用Stoney公式[HEA 99]将1/R曲率和应力联系起来：

式中，σ_f为薄膜应力，M_s为（0001）Al₂O₃的双轴模。该公式表明1/R曲率和薄膜厚度h_f间存在线性关系。

图2-15所示为生长于450μm厚蓝宝石衬底上的GaN当厚度不同时的曲率变化。

图2-15 晶片曲率是GaN薄膜厚度的线性函数

根据曲线的斜率，可以计算出热应力。当M_s=602GPa（蓝宝石的双轴模）时，应力σ_f=0.71GPa，而用X射线衍射测量得到GaN晶格参数为0.71±0.10GPa[BOT 01]，两者相当吻合。GaN中的压缩性应力不会导致裂缝的产生，但晶片的凸起翘曲会在衬底中的分界面附近产生张应力。应力为临界值时，衬底中会出现裂缝并在GaN层中传播。已经在厚度大于20μm的GaN层中观察到这种现象[HIR 93]。